JP5023098B2 - Energy impulse generator for profiling systems - Google Patents
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Description
本願は、米国特許法第119条に基づき2001年12月20日に出願されたカナダ特許出願第2,366,030号による優先権の利益を主張し、その開示内容は、あたかもその全文が記載されているものとして本明細書に組み込まれるものである。 This application claims the benefit of priority under Canadian Patent Application No. 2,366,030 filed on December 20, 2001, under Section 119 of the US Patent Act, the disclosure of which is as if it were in its entirety As incorporated herein.
本発明は、表面下に位置する媒体の非貫入検査の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、表面下の媒体の機械的特性決定を可能にする知的プロファイリングシステムに関する。 The present invention relates to the field of non-penetrating inspection of media located below the surface. More particularly, the present invention relates to an intelligent profiling system that allows the mechanical characterization of subsurface media.
例えば地球物理学的探査の分野で、非貫入技術は、これらの技術が非破壊的であるため、ボーリングを含む従来の現場検査技術の補足または代替として、探求され、開発されてきた。ボーリングが実行不可能な幾つかの場合、例えば粒状土では、そのような非貫入技術が、地下を探査する唯一の方法である。また、それらは一般的に費用効率がより高い。 For example, in the field of geophysical exploration, non-intrusive technologies have been explored and developed as a supplement or alternative to conventional field inspection techniques, including boring, because these technologies are non-destructive. In some cases where boring is not feasible, for example in granular soil, such non-intrusive techniques are the only way to explore the underground. They are also generally more cost effective.
非貫入技術はまた、様々な他の分野で表面下に位置する媒体を探査するために、例えば道路、橋、建物の鉄筋継手、コンクリート壁等の摩耗状態を評価するため、あるいは鉱業または軍用分野で地表下ポケットを検出するためにも、使用される。 Non-intrusive technology can also be used to explore subsurface media in a variety of other areas, for example to assess the wear conditions of roads, bridges, building rebar joints, concrete walls, etc., or in the mining or military fields Also used to detect subsurface pockets.
興味深いことに、表面波および特にレイリー波は、非貫入検査の分野で非常に有用である。技術的に周知の方法の一つに、例えば、貫入無く地下の剪断速度プロファイルを決定するために表面波を利用する、表面波のスペクトル解析(「SASW」)がある。この方法は一対のセンサ、少なくとも一つのインパルス源、および信号処理システムを含む。 Interestingly, surface waves and especially Rayleigh waves are very useful in the field of non-penetrating inspection. One method known in the art is surface wave spectral analysis ("SASW"), which utilizes surface waves to determine, for example, underground shear rate profiles without penetration. The method includes a pair of sensors, at least one impulse source, and a signal processing system.
表面波を使用するそのような技術は、例えば上記SASWの場合、二つのセンサ間の距離を変えることにより、かつ異なるインパルス源を使用することにより、広範囲の土壌の厚さの探査が可能であるが、その動作は一般的に、調査対象の地表下媒体に関する有用な情報を得るために、当該分野に熟達した高度熟練作業員による処置を必要とする。 Such a technique using surface waves, for example in the case of the SASW, allows exploration of a wide range of soil thicknesses by changing the distance between the two sensors and by using different impulse sources. However, its operation generally requires treatment by highly skilled workers skilled in the field to obtain useful information about the subsurface media under investigation.
したがって、当該分野における努力にもかかわらず、センサ、インパルス発生器、およびユーザ−演算インタフェースを備え、非熟練者による表示および使用のためにデータを収集し、解析し、処理することができる、表面下の媒体のプロファイリングを可能にするシステムが依然として求められている。 Thus, despite efforts in the field, surfaces with sensors, impulse generators, and user-computation interfaces that can collect, analyze and process data for display and use by non-experts There remains a need for a system that enables profiling of the underlying media.
したがって、本発明の目的は、改善されたプロファイリングシステムを提供することである。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved profiling system.
実施形態の一つでは、本発明は、表面下の媒体の特性決定を達成するためのプロファイリングシステムを含む。該プロファイリングシステムは、通信インタフェースを介してメッセージを交換する多数のシステム要素を含む。システム要素はエネルギインパルス発生器、検知アセンブリ、およびユーザ−演算インタフェースを含む。エネルギパルスを表面に伝達するための発生器は、メッセージを他のシステム要素と交換するための発生器通信手段を含む。検知アセンブリはセンサを含む。センサの各々は、エネルギパルスから生じる表面の加速度を検出し、加速度を表わす信号を発生するための加速度メータを含む。センサの各々はまた、通信インタフェースを介して加速度を表わす信号を送信し、他のシステム要素とメッセージを交換するためのインタフェース通信手段を含む。ユーザ−演算インタフェースは、通信インタフェースを介して加速度を表わす信号を受信し、他のシステム要素とメッセージを交換するためのインタフェース通信手段を含む。ユーザ−演算インタフェースはまた、加速度を表わす受信信号を処理して、表面下の媒体の特性決定を生成するためのインタフェースプロセッサをも含む。 In one embodiment, the present invention includes a profiling system for achieving subsurface media characterization. The profiling system includes a number of system elements that exchange messages over a communication interface. System elements include an energy impulse generator, a sensing assembly, and a user-computing interface. The generator for transmitting energy pulses to the surface includes generator communication means for exchanging messages with other system elements. The sensing assembly includes a sensor. Each of the sensors includes an accelerometer for detecting surface acceleration resulting from the energy pulse and generating a signal representative of the acceleration. Each of the sensors also includes interface communication means for transmitting a signal representative of acceleration via the communication interface and exchanging messages with other system elements. The user-computing interface includes interface communication means for receiving signals representative of acceleration via the communication interface and exchanging messages with other system elements. The user-computing interface also includes an interface processor for processing the received signal representative of the acceleration to generate a subsurface media characterization.
別の実施形態では、本発明は、表面における加速度を検出するためのセンサに関する。該センサは、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。センサは、加速度を表わす信号を出力するための加速度メータ、および送信回路を備えたインタフェースユニットを含む。インタフェースユニットは加速度を表わす信号を受信し、それをコンピューティング手段に送信するために変調する。 In another embodiment, the invention relates to a sensor for detecting acceleration at a surface. The sensor exchanges messages with the computing means via the communication interface. The sensor includes an accelerometer for outputting a signal representing acceleration and an interface unit including a transmission circuit. The interface unit receives a signal representative of acceleration and modulates it for transmission to the computing means.
別の実施形態では、本発明は、表面における加速度を検出するためのセンサに関する。センサは、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。センサは、加速度を表わす信号を出力するための加速度メータを備えた基板を含む。センサはさらに、基板に取り付けられた質量を含む。質量は加速に応答して移動する。センサはまた、ここ記載するインタフェースユニットをも含む。 In another embodiment, the invention relates to a sensor for detecting acceleration at a surface. The sensor exchanges messages with the computing means via the communication interface. The sensor includes a substrate with an accelerometer for outputting a signal representative of acceleration. The sensor further includes a mass attached to the substrate. The mass moves in response to acceleration. The sensor also includes an interface unit as described herein.
本発明は、その実施形態の一つにおいて、エネルギパルスを表面に伝達するためのエネルギインパルス発生器に関する。該発生器は、通信インタフェースを介してコンピューティング手段とメッセージを交換する。発生器はハウジングを含む。発生器はさらに、ハウジング内で少なくとも静止位置とラッチ位置と衝撃位置との間に可動に取り付けられた衝撃アセンブリをさらに含む。衝撃位置で、衝撃アセンブリはエネルギパルスを表面に伝達する。発生器はまた、衝撃アセンブリに取り付けられたエネルギ蓄積手段をも含む。ラッチ位置で、エネルギ蓄積手段は、指定量のエネルギの放出後、衝撃アセンブリがラッチ位置から衝撃位置に移動し、次いで静止位置に戻るように、指定された量のエネルギを衝撃アセンブリに放出することができる。該コンピューティング手段は、衝撃アセンブリへの指定量のエネルギの放出を制御する。 In one of its embodiments, the present invention relates to an energy impulse generator for transmitting energy pulses to a surface. The generator exchanges messages with computing means via a communication interface. The generator includes a housing. The generator further includes an impact assembly movably mounted within the housing between at least a stationary position, a latched position, and an impact position. At the impact location, the impact assembly transmits energy pulses to the surface. The generator also includes energy storage means attached to the impact assembly. In the latched position, the energy storage means releases a specified amount of energy to the impact assembly such that after the specified amount of energy is released, the impact assembly moves from the latched position to the impact position and then returns to the rest position. Can do. The computing means controls the release of a specified amount of energy to the impact assembly.
一般に、本発明のシステムは、表面下に位置する媒体の機械的性質の非貫入型物理解析、およびその結果の表示を可能にする。 In general, the system of the present invention allows non-intrusive physical analysis of the mechanical properties of media located below the surface and display of the results.
表面による直接探査とは分離されるそのような媒体は、地下、コンクリート壁の厚さ、鉄筋継手の厚さ、および類似物とすることができる。例証を目的として、地球物理学的検査を扱う実施形態を使用して、本発明を説明する。したがって、以下では、調査される媒体はその表面を介した地下の地表下領域である。 Such media separated from direct surface exploration can be underground, concrete wall thickness, reinforced joint thickness, and the like. For purposes of illustration, the invention will be described using an embodiment dealing with geophysical examination. Therefore, in the following, the investigated medium is the underground subsurface area through its surface.
より正確には、本発明のシステムは、インパルスの発生器によって発生される励振によって検査対象の地表下領域に誘発される、剪断波の速度を検出するセンサを利用する。 More precisely, the system of the present invention utilizes a sensor that detects the velocity of the shear wave induced in the subsurface area to be examined by the excitation generated by the impulse generator.
添付図面の図1に基づき、本発明の実施形態に係るシステムを説明する。 A system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 of the accompanying drawings.
基本的には、システム10は三つのユニットまたはシステム要素、すなわち検知アセンブリ12、エネルギインパルス発生器14(以下、EIGと呼ぶ)、およびユーザ−演算インタフェース16(以下、UCIと呼ぶ)を含む。
Basically, the
図1から分かるように、検知アセンブリ12は、表面20の様々な位置に配置された変位センサ18を含む。検知アセンブリ12は、種々な位置に連続して配置される複数のセンサ18を含む。本発明に係るシステム10の特定の実施形態では、検知アセンブリ12は四つのセンサ18を含むが、センサの個数は他にも設定可能である。センサ18の役割は、エネルギインパルス発生器14によって表面20に発生する衝撃のバーストに応答する変位を検出することである。
As can be seen from FIG. 1, the
検知アセンブリ12の変位センサ18の各々およびエネルギインパルス発生器14は、通信インタフェース21によってユーザ−演算インタフェース16に接続される。センサ18をユーザ−演算インタフェース16に相互接続するために、多くの様々な技術を使用することができる。例えば、通信インタフェース21は符号22で図1に示す光ファイバケーブル、同軸ケーブル、多心ケーブル、オプティカルリンク、RFリンクを含むことができる。代替的に、通信インタフェース21として多重化手段を採用してもよい。通信インタフェース21は、命令および/またはデータを含むメッセージをシステム要素間で中継するために使用される。
Each of the
図2ないし4に示すように、センサ18はハウジング内で保護される。ハウジングは、上蓋25によって閉じられるプレート27およびケーシング24を含む。表面20は硬すぎないので、変位センサ18は、プレート27に装着されたねじ具によって表面20に取り付けられ、その上にケーシング24を挿入して、プレート27の縁28によって固定することができる(図2a参照)。代替的に、表面20が硬すぎる場合、接着剤29によって、または単に表面20上に置くだけで、プレート27をそれに固定することができる(図2b参照)。
As shown in FIGS. 2-4, the
ケーシング24は、通信インタフェース21の接続線22(図1参照)によってユーザ−演算インタフェース16に接続するための通信コネクタ30を備えている(図3参照)。
The
上蓋25は、ケーシング24に取り付けられた衝撃吸収要素32’および減衰要素34’に対して対称的に配置された衝撃吸収要素32および減衰要素34をも支持し、かつ、任意ではあるが通信アンテナ36またはオプティカル拡散器(図示せず)をも支持することに注意されたい。
The
半導体基板42は、図4の断面図に示すように、ケーシング24内で保護される。質量38は、歪みゲージ44ならびに抵抗器46および48(図5に示す)を支持する半導体基板42の開口40内に支持される。質量38は加速に応答して移動する。当業者に明らかなように、表面20の下の地表下領域に発生する剪断波によって誘発される質量38の移動は、半導体基板42に歪みを生じる。
The
半導体基板42およびそれが支持する要素(質量38、歪みゲージ44、抵抗器46等)を広義に加速度メータまたは加速度メータアセンブリまたはユニットと呼ぶことができる。加速度メータは広義に、その応答がそれと接触している物質(例えばこの場合は表面)の加速に線形的に比例する装置と定義することができる。加速度メータまたはセンサ18は表面と直接接触する必要は無い。他の中間要素または媒体を介した接触も可能である。
The
図6に示すように、変位センサ18と同等の回路は、四つの歪みゲージ44および二つの抵抗器46を含み、ホイートストンブリッジを形成する。ブリッジの一方の対角点はDC電圧源50に接続され、ブリッジのもう一方の対角点は歪み検出回路の出力として働き、増幅装置52に接続される。後述するように、歪みゲージ44は、半導体基板42の機械的変形を電気信号(または他の種類の情報支持信号)に変換するためのトランスデューサとして使用される。抵抗器48は、後述するように、校正目的に使用される。
As shown in FIG. 6, a circuit equivalent to the
歪みゲージ44は、質量38によって変位センサ18に伝達される検査対象の地表下領域の動きを記録するために使用される。それらは、マッチ抵抗器46によって温度補償される。図5のセンシング回路の高い対称性は、広範囲の温度にわたるホイートストンブリッジの平衡化を可能にすることによって、温度補償にも寄与する。
The
歪みゲージ44は、基板42上に堆積した材料を直接エッチングすることによって、半導体基板42の上面に固着することができる。当業界で公知の技術による半導体基板42の直接エッチングは、温度の不一致の最小化、したがって応力集中の最小化と共に、歪みゲージ44の完全な配置を保証し、こうして非常に高感度の変位センサ18の製造が可能になる。
The
変位センサ18は、さらに図4に示したインタフェースボード53(本書ではインターフェースユニットとも呼ぶ)を含み、このボードは通信コネクタ30および/またはアンテナ36に接続された必要な通信回路を支持する。通信回路の一つは、表面加速度を表わす信号(例えばホイートストンブリッジから得られた)を変調する機能を果たす。変調は、通信インタフェース21を介して送信するように準備するための信号の任意の変換を含む。図6に示すように、変位センサ18はさらにA−D変換器47、送信回路49(センサ通信手段とも呼ばれる)、および制御回路57を含んでいてもよい。制御回路57は、事前設定された値への校正中に、増幅装置52の増幅レベルおよびそのオフセットを調整するために、電力管理に使用される。ホイートストンブリッジからの信号を変化させるために、周波数フィルタリング手段(図示せず)ならびに補償および線形化手段(図示せず)を基板42に追加してもよい。本発明の実施形態では、基板42はメモリ手段およびプロセッサ(いずれも図2〜6に図示せず)をも含む。制御装置57は、A−D変換器47のダイナミックレンジを設定することもできる。
The
言うまでもなく、回路の種類は、部分的に変位センサ18とユーザ−演算インタフェース16との間の通信インタフェース21の通信22の種類に依存する。
Needless to say, the type of circuit depends in part on the type of
変位センサ18には、外部から、或いは半導体基板42の下に配置されたバッテリのような一体化電源54によって(図4参照)内部から、電力を供給する。そのようなバッテリは、ケーシング内のどこでも便利な場所に、またはケーシング24の外部の特別ケーシング内に配置することができる。本発明の別の実施形態では、センサ18には高周波信号によって外部から電力を供給してもよい。
Electric power is supplied to the
図2aおよび2bに関連して上述したとおり、各変位センサ18は単に表面20に載置するか、あるいは接着剤29によって底に固定するか(図2b)、あるいはねじ具26によって固定することができる(図2a)。
As described above in connection with FIGS. 2 a and 2 b, each
上蓋25に取り付けられた減衰要素34、およびケーシング24に取り付けられた対応する減衰要素34’は、弾性またはゲル状材料から作成することができる。広範囲の温度にわたるエネルギの一定吸収を確実にすることによって、かつそれらが例えばネオプレンまたはシリコーンのような疲労に対する耐性を有する材料から作成されることを前提として、それらは減衰率を最適化し、信号の品質を最大限に改善する。
The damping
実際、振幅および位相歪みに関して評価した変位センサ18の性能は、主として装置の拡大率および減衰率に依存する。
In fact, the performance of the
衝撃吸収パッド32および32’は、例えば取扱い中に変位センサ18を過度の衝撃から保護するのに効果的である。
The
変位センサ18を密封し、かつ有害な環境から保護するために、蓋25とケーシング24との間に、熱可塑性、弾性、シール材、またはゴム継手55が設けられる(図4参照)。
In order to seal the
本発明の変位センサ18は、一体化された歪みゲージ44、増幅手段52、および制御回路57を有する半導体基板を含み、ノイズ対信号比およびしたがってUIC16への送信中の信号の汚染を低減することができる。必要に応じて、変位センサ18がA−Dインバータ47を含む場合には、送信時のノイズ対信号比をさらに低減する。
The
さらに、半導体歪みゲージ44の使用により、従来の箔歪みゲージを使用することによって得られるより優れた利得を達成することが可能であることを、当業者なら認識するであろう。
In addition, those skilled in the art will recognize that the use of the
また、質量38を使用することにより、歪みゲージアセンブリの感応性、すなわち測定能力を高めるのに貢献する。
Also, the use of the
当業界で一般的に知られているように、本開示に係る変位センサ18は、次のように動作する。加速度の無い状態で電力が回路に供給されると、基板42は歪まず、歪みゲージ44の抵抗はその当初のレベルに維持されるので、回路の出力信号は零である。加速が発生すると、質量38に外力が加わり、それによって基板42の変形を引き起こし、結果的に、基板42が曲り、歪みゲージ44が変形するので、抵抗要素の電気抵抗値の変化が生じる。この変形は歪みゲージ44の公称抵抗を変化させ、ホイートストーンブリッジの平衡状態を破らせ、回路の電圧出力を発生させる。この出力電圧を解析すれば、検査対象の地表下領域の特性決定を得ることは、当業者なら理解できるであろう。
As is generally known in the art, the
添付の図7を参照して、エネルギインパルス発生器14について説明する。
The
エネルギインパルス発生器14は、エネルギを蓄積し、かつラッチ66を介して衝撃ヘッドアセンブリ64を引き寄せるように、モータアセンブリ62によって圧縮状態にセットされたばね60を含む。衝撃ヘッドアセンブリ64は、ラッチ66を引っ張るソレノイド68を起動することによって解放され、それによって衝撃ヘッドアセンブリ64がアンロックされ、ばね60の伸展が可能になる。
The
ばね60の動力源は、本実施形態ではモータアセンブリ62として例示されているが、空圧式、油圧式、電気式、または機械式供給源とすることができることは明らかであろう。
The power source of the
ばね60は、衝撃ヘッドアセンブリ64の慣性に対抗するものであり、衝撃時に衝撃を与え、また、衝撃ヘッドアセンブリ64が衝撃後に跳ね返るのを防止するための手段としても使用される。
The
例えばラッチ66に配置された歪みゲージ回路63(より広義に歪み測定装置とも呼ばれる)、または衝撃ヘッドアセンブリ64に配置された加速度メータ67は、UCI16によってEIG14の制御回路に送信されたエネルギコマンドと比較することによって、ばね60に蓄積されたエネルギを監視するために使用される。
For example, a strain gauge circuit 63 (also referred to as a strain measuring device in a broader sense) disposed in the
緩衝器72は、エネルギインパルス発生器14が解析対象の要素に対する衝撃ヘッドアセンブリ64の衝撃によるエネルギのバーストを伝達する間に発生する衝撃を吸収するために設けられる。
A
制御回路(図示せず)は、エネルギ発生量およびEIG14の全体的動作を監視することを可能にする。EIG14はまた、EIG14を動作させかつ管理するプロセッサおよびメモリ手段のような他の回路(図示せず)をも含むことができる。メモリ手段は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読出し専用メモリ(ROM)、電気的消去可能なプログラマブルROM(EEPROM)等のような様々な型のメモリを含む。RAMは計算中にデータ格納のため、およびタイムスタンプ記録(プロセッサ84またはセンサユニットから、伝達または中継される)のために使用される。ROMは初期化コード、始動シーケンス等を含む。EEPROMは演算アルゴリズム、テーブル、センサ識別等を含むことができる。EEPROMデータは通信インタフェース21を介して受け取ることができる。
A control circuit (not shown) makes it possible to monitor the amount of energy generation and the overall operation of the
電源パック65はバッテリを保持するために設けられるが、EIG14の全体重量を増加させる。電源パック65は再充電可能なバッテリを含むことができる。バッテリは接触または無接触方式(例えばRFを介して)で再充電することができる。直接ケーブル給電による電力供給も選択肢として可能である。
The
EIG14は、ねじ具26、または変位センサ18に使用されるのと基本的に同様であって後述する取付け手段を使用して、表面20に固定される。取付け手段の他の例としては、錘、磁性体、接着剤、「ラムセット」または爆薬駆動型固定手段等があり、これらの取付け手段をセンサ18のために用いてもよい。
The
衝撃発生の上記プロセスを起動させるためのエネルギは、ユーザ−演算インタフェース16(UCI)からケーブル、光信号、または高周波信号を介してEIG14に伝達されるコマンドを受けてから放出される。このコマンドは、機構のローディングおよびアンローディング、並びにEIG14によるエネルギパルスの送出をトリガする。
Energy for activating the above process of shock generation is released after receiving a command transmitted from the user-computing interface 16 (UCI) to the
図1に例示したユーザ−演算インタフェース(UCI)16は、多数のサブシステム、すなわちキーボード、電源および機能キー、ディスプレイスクリーンおよび/またはタッチスクリーンおよび/または音声認識装置を含むユーザインタフェースシステムと、プリンタ(図示せず)など他の出力装置への接続を可能にする機器インタフェース、EIGとのインタフェースシステムと、検知アセンブリ12の変位センサ18からデータを収集するための信号収集システムと、計算を実行し様々なインタフェースを一緒に管理する処理システムと、他のコンピュータへの接続を可能にするコンピュータインタフェースシステムとを含む。
The user-computation interface (UCI) 16 illustrated in FIG. 1 includes a number of subsystems: a user interface system including a keyboard, power and function keys, a display screen and / or a touch screen and / or a voice recognition device, and a printer ( An instrument interface that allows connection to other output devices (not shown), an interface system with the EIG, a signal acquisition system for collecting data from the
言うまでもなく、UCI16は、例えばエネルギインパルス発生器14および変位センサ18を制御し、かつ検知アセンブリ12の変位センサ18からデータを収集して格納することができるプログラムまたはアルゴリズムを格納する。さらに、このプログラムは、収集したデータを解析して、表面下の媒体の幾つかの特性または特徴を算出し、それを表示することができる。
Of course, the
様々なアセンブリの各々は、自立的に動作するか、あるいは中央装置によって電力を供給される。 Each of the various assemblies operates independently or is powered by a central device.
最も興味深いことは、UCI16に格納されたプログラムおよびソフトウェアを前提として、本発明のシステムは様々な応用分野で使用できることである。
Most interesting is that, given the programs and software stored in
例えば、土質検査の分野では、鉱業で本発明のシステムを使用して、地下のポケットまたは断層を検知することができる。さらなる例として、軍事的分野で、効果的な爆破位置決定または地下壕の発見を目的として、地形の地質学的構造を調査するために、本発明のシステムを使用することができる。本発明のシステムは、いわゆるJTIDS(「統合戦術情報分配システム」)のようなシステムにデータを供給するために使用することができる。 For example, in the field of soil testing, mining can use the system of the present invention to detect underground pockets or faults. As a further example, the system of the present invention can be used in the military field to investigate the geological structure of terrain for the purpose of effective blast location or discovery of underground bunker. The system of the present invention can be used to supply data to a system such as the so-called JTIDS ("Integrated Tactical Information Distribution System").
加えて、当業者なら、GPSまたはジャイロスコープシステムを追加して、検知アセンブリ12の各変位センサ18およびEIG14を位置決めする可能性も予想できるであろう。一つの可能な用途は、地下空洞の識別およびその空間座標の決定に関連する。グローバル測位システム(GPS)の使用により、地下に隠された隠れ家、施設等に使用することのできる場所をマップするアルゴリズムを、UCI16に導入することができる。特に軍事用途では、空洞または地下に隠された領域の損害を最大にするために、ペイロードの戦略的分配をそれに従って計画することができるように、アルゴリズムは構造上の欠陥を検出することもできる。
In addition, one of ordinary skill in the art would be able to anticipate the possibility of adding a GPS or gyroscope system to position each
適切なアルゴリズムがUCI16に含まれることを前提として、本発明のシステム10を使用することのできる可能な用途の別の分野は、長距離または大きい深さにわたって伝播する低周波剪断波の特性を利用する通信分野である。そのような特定のユーザ−演算インタフェース16は、単方向または双方向通信を実行し、地表面の変位を検知し、識別し、位置を突き止めることができる。この種の用途では、システム10は地中に様々な周波数のエネルギを誘発し、結果的に地上波を発生させる電子機械装置を送信機として使用する。高周波は短距離しか伝わらないが、低周波剪断波は地中深くに、かつ長距離にわたって伝播するので、通信信号は周波数および相対振幅を変調したエネルギ信号から成り、当該信号によって予め定められた通信プロトコルを開始し、送信し、終了させる。複雑な地球物理環境によって生じる様々な反射のため、送信信号はその途中で時間および周波数ドメインでスクランブルされる。受信端で使用される検知アセンブリ12はUCI16と共に、この信号のスクランブルを解いて、周波数ドメインおよび経時的なその変動を再構成する。その高周波成分は、信号源を確実に突き止めるための手段として使用される。
Given that a suitable algorithm is included in
加えて、変位センサ18の分配配置により、軍隊、移動車両、または地上の衝撃によって発生する放射体または信号源の位置の三角測量を可能にする。入力信号を再構成して、UCI16はパターン認識データベースを処理してシグネチャを照合し、信号発生源を識別することができる。
In addition, the distribution arrangement of the
図8は、本発明の別の実施形態に係るセンサ80を示されている。センサ80は加速度メータ88を含み、それからの応答は、センサ80が接触している表面20の加速度に関係する。加速度メータ88は歪みゲージ、コンデンサ、または圧電素子を含むことができる。加速度メータ88は従来型の加速度メータとすることができるが、超小型電子機械装置(MEMS)またはナノ電気機械システム(NEMS)のような他の技術も利用することができる。
FIG. 8 shows a
加速度メータ88によって生成される加速度を表わす信号(電気または他の同等のメッセージ搬送型の信号)は、増幅器90に送られる。例示された実施形態では、増幅器90は自動利得増幅器である。増幅器90は、センサ80のダイナミックレンジを増大するように働く。増幅器90の利得はプロセッサ84に伝送され、それは次にRF通信回路102によって送られた信号を処理する。
A signal representing the acceleration generated by the accelerometer 88 (electrical or other equivalent message-carrying signal) is sent to the
増幅器90の後、信号は低域フィルタ92に送られる。低域フィルタ92は周波数ドメインのスペクトルエイリアシング(spectral aliasing)および時間ドメインの歪みを除去する。サンプルアンドホールド装置94は次いで信号を受け取り、それをサンプリングし、かつA−D変換器96がアナログ信号をデジタル信号に変換するのに充分な時間それを保持する。
After
第二の組の加速度メータ(図示せず)、増幅器(図示せず)、および低域フィルタ(図示せず)を上記第一の組と並列に追加し、サンプルアンドホールド装置94に信号を供給してもよいことは当業者なら理解するであろう。上記センサ80はサンプル加速度メータとして働く。加速度メータ88の軸に対し直角の軸の加速度を拾うように第二の加速度メータを配置すると、センサ80は傾斜メータになる。本発明のさらに別の実施形態では、センサ80は、上記第一および第二の組と並列に、第三の組の加速度メータ(図示せず)、増幅器(図示せず)、および低域フィルタ(図示せず)を追加し、サンプルアンドホールド装置94に信号を供給するようにしてもよい。加速度メータ88および第二の加速度メータの両方の軸に対し直角の軸の加速度を拾うように第三の加速度メータを配置すると、センサ80はジャイロスコープになる。
A second set of accelerometers (not shown), an amplifier (not shown), and a low pass filter (not shown) are added in parallel with the first set to provide a signal to the sample and hold
加速度メータ88によって出力される加速度を表わす信号を時間積分すれば、速度を算出することができることは当業者なら理解するであろう。また、速度を時間積分することによって距離を算出することもできる。これらの計算はプロセッサ84で行なうことができる。
Those skilled in the art will appreciate that the velocity can be calculated by time integrating the signal representing the acceleration output by the
図8に示した実施形態に戻って、A−D変換器96からの信号は、望ましくない周波数を除去する低域フィルタ98に送られる。低域フィルタ98は、A−D変換器96内に組み込むこともできる。(振幅または位相の)歪みを除去するために、信号は次いで補償および線形化装置100で補償され、線形化される。補償および線形化装置100は、周波数成分に関して一様な性能を保証するために信号を線形化し、線形化装置100はまた信号の周波数スペクトルを広げる。
Returning to the embodiment shown in FIG. 8, the signal from the
信号は最終的に通信回路102に送られる。通信回路102は、命令および/またはデータを含むメッセージを、通信インタフェース21を介してUCI16または検知アセンブリ12と同様の検知アセンブリ12内の他のセンサ80(図示せず)に対して送受信する。典型的な命令としては、リセット、初期化、ダウンロード、新しいアルゴリズム、線形化、補償および識別パラメータ(送信またはダウンロード)、校正、送信モード(例えば直接、ネットワーク)、サンプリングの開始、エネルギ節約等がある。ネットワークモード時に、通信プロトコルが、データをセンサからセンサへ転送し、最終的にUCI16に転送するのに最適な経路を確立する。センサ80はしたがってデータリレーとして働くことができる。通信回路102は電磁干渉から保護することができる。本発明の実施形態では、各センサ80はそれ自体のインターネットプロトコル(IP)アドレスを持ち、それに従ってアドレス指定される。
The signal is finally sent to the
センサ80はまた、当該センサ80を作動させ、かつその管理を実行するプロセッサ84をも含む。センサ80はメモリ手段86を含む。メモリ手段86は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読出し専用メモリ(ROM)、電気的消去可能なプログラマぶるROM(EEPROM)等のような様々な種類のメモリを含む。RAMは、計算中にデータ格納のため、およびタイムスタンプ記録(プロセッサ84または別のセンサ80から、伝達または中継される)のために使用される。ROMは初期化コード、始動シーケンス等を含む。EEPROMは演算アルゴリズム、テーブル、センサ識別等を含むことができる。EEPROMデータは通信インタフェース21を介して受け取ることができる。
The
センサ80への電力は電源82によって提供される。電源82は再充電可能なバッテリを含むことができる。バッテリは接触または無接触(例えばRFを介して)方式で再充電することができる。直接ケーブル給電による電力供給も選択肢として可能である。
Power to the
任意ではあるが、センサ80は、電子ジャイロスコープまたはグローバル測位システム(GPS)受信機のような位置決め回路(図示せず)を含むこともできる。
Optionally,
本発明の実施形態では、ハウジング104は三つの部分を含む。ハウジング104は、その全てのコンポーネントを外部要素から保護するために密封される。第一部分106はバッテリおよび電源調整回路を保持する。第二部分108は、要素84ないし100のみならず位置決め回路(図示せず)をも保持する。第三部分110は通信回路102を保持する。部分110の表面は導電性であり、それによって通信回路102を電磁干渉(EMI)から保護する電磁障壁を提供する。
In an embodiment of the invention, the
本発明を以上にその好適な実施形態に関して説明したが、本発明は、特許請求の範囲に規定する発明の精神および性質から逸脱することなく、変形することができる。 Although the invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, the invention can be modified without departing from the spirit and nature of the invention as defined in the appended claims.
Claims (26)
ハウジングと、
前記ハウジング内の少なくとも静止位置とラッチ位置と衝撃位置の間に可動に取り付けられた衝撃アセンブリであって、それによって前記衝撃位置で前記衝撃アセンブリが前記エネルギパルスを前記表面に伝達するように構成された衝撃アセンブリと、
前記衝撃アセンブリに取り付けられたエネルギ蓄積手段であって、それによって前記ラッチ位置で前記エネルギ蓄積手段が指定された量のエネルギを前記衝撃アセンブリに放出して、前記指定された量のエネルギの放出後に、前記衝撃アセンブリが前記ラッチ位置から前記衝撃位置に移動し、次いで前記静止位置に戻るように構成されたエネルギ蓄積手段と、
前記コンピューティング手段の制御下で前記衝撃アセンブリを解放可能にラッチするための、前記ハウジング内に取り付けられた解放機構と、
を含み、
前記コンピューティング手段が前記衝撃アセンブリへの前記指定された量のエネルギの放出を制御し、
前記解放機構が、前記衝撃アセンブリと接触しかつラッチ位置とアンラッチ位置との間で可動なラッチをさらに含み、
前記ラッチが、前記エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギを監視するために、歪み測定装置および加速度メータの少なくとも一つをさらに含む、エネルギインパルス発生器。 An energy impulse generator for transmitting energy pulses to a surface, wherein the generator exchanges messages with computing means via a communication interface, the generator comprising:
A housing;
An impact assembly movably mounted between at least a stationary position, a latch position, and an impact position within the housing, wherein the impact assembly is configured to transmit the energy pulse to the surface at the impact position. Impact assembly;
Energy storage means attached to the impact assembly, whereby the energy storage means releases a specified amount of energy to the impact assembly at the latched position, after the specified amount of energy is released. Energy storage means configured to move the impact assembly from the latched position to the impact position and then return to the rest position;
A release mechanism mounted within the housing for releasably latching the impact assembly under control of the computing means;
Including
The computing means controlling the release of energy of the specified amount to the impact assembly,
The release mechanism further includes a latch in contact with the impact assembly and movable between a latched position and an unlatched position;
An energy impulse generator, wherein the latch further comprises at least one of a strain measuring device and an accelerometer for monitoring energy stored in the energy storage means .
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